4. Явления в зоне обработки

При обработке резанием пластичных металлов на передней поверхности лезвия инструмента может образоваться нарост. Металл заготовки при некоторых условиях прочно сцепляется с инструментом, хотя размеры и форма нароста постоянно меняются. Нарост существенно влияет на резание и качество обработанной поверхности:

1. Силы резания уменьшаются, т.к. увеличивается передний угол резца;

2. Уменьшается износ инструмента по передней поверхности;

3. Улучшается теплоотвод, но (рис. 8а);

4. Увеличивается шероховатость обработанной поверхности;

5. Ухудшается ее качество из-за волнистости и вибраций станка и др.

Рис.8. Наростообразование (а), наклеп и деформирование обработанной

поверхности (б)

Т.о., нарост полезен при черновой, но вреден при чистовой обработке.

Для предотвращения наростообразования нужно изменять геометрию режущего инструмента; подбирать скорость резания; применять смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и чистящую обработку передней поверхности резца (для уменьшения сил трения).

Результатом упругого и пластичного деформирования обрабатываемого материала является упрочнение (наклеп) поверхностного слоя. Это, в первую очередь, связано с тем, что инструмент не идеально острый, а имеет закругленные режущие кромки с радиусом мм (рис.8б) ( растет по мере износа). Твердость упрочненного слоя (обычно ) возрастает в 2 и более раз в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии резца и режима резания. Следствием деформации является упругое восстановление поверхностного слоя, возрастание сил трения по вспомогательной задней поверхности инструмента и искажению размеров и формы обрабатываемой заготовки. Следовательно, окончательную обработку следует вести так, чтобы остаточные напряжения отсутствовали или были минимальными. Предпочтительными являются напряжения сжатия и то только на заключительных стадиях обработки. (Наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на режимы последующей чистовой обработки).

Резание сопровождает выделение в зоне обработки теплоты из-за: упруго пластического деформирования материала; трения стружки о переднюю поверхность лезвия, трения задних поверхностей о поверхность резания и обрабатываемую поверхность. Уравнение теплового баланса:

,

где , и — деформационная и трибосоставляющие тепловыделения; — тепло отводимое стружкой; — заготовкой; — инструментом; — излучением в среду. В зависимости от метода и условий обработки: ; ; . Главный фактор — скорость резания (см. рис. 9, 10).

Рис.9. Источники тепловыделения и отвод тепла из зоны резания

Рис.10. Зависимость теплоотвода от скорости резания

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания:

1. Нагрев инструмента до высоких температур (см. распределение на рис. 11а,б) в 800-1000С вызывает структурные превращения материала и, как следствие, снижение твердости и режущих способностей;

2. Изменяется геометрическая форма и размеры инструмента, а значит отклоняются формы и размеры обрабатываемых поверхностей;

3. Неоднородность температурного поля в объеме заготовки влияет на отклонение ее формы и размеров от номинальных, и должна быть учтена при наладке станков.

Рис.11. Распределение температуры по сечению токарного резца

Для уменьшения отрицательного влияния тепловыделения обработку следует вести на оптимальных режимах с применением охлаждающих средств. В их качестве применяются:

— жидкости (водные растворы солей, мыл, эмульсии, масла и эмульсии, ПАВ с добавлением смазочных и защитных веществ (графит, парафин, воск);

— газы и газообразующие вещества (СО₂, CCl₄, N₂, пары ПАВ, распыленные жидкости, пены);

— твердые вещества (порошки воска, парафина, мыла и др.)

Наиболее эффективны СОЖ: снижается трение стружки, работа деформирования, тепловыделение, наростообразование и др. Эффективная мощность резания уменьшается на 10-15%, возрастает стойкость инструмента, улучшается точность и качество обрабатываемых поверхностей.

При черновой и получистой обработке (необходимо сильное охлаждение) в основном используются водные эмульсии. Расход 5-150 л/мин. При чистовой обработке — различные масла с активизаторами (P; S; Cl). При обработке хрупких материалов (элементарная стружка) — охлаждают сжатым воздухом, углекислотой. Способы подвода СОС растворов в зону обработки показаны на рис.12.

Рис.12. Способы подвода смазывающе-охлаждающих веществ в

зону обработки

Трение между стружкой и передней поверхностью лезвия и между главной задней поверхностью и заготовкой приводит к изнашиванию инструмента (в основном образивному). В дополнение к нему за счет высоких температур и давлений наблюдаются и другие виды изнашивания: окислительное, адгезионное (за счет сил молекулярного сцепления материалов); термическое (структурные превращения в материале инструмента). При изнашивании на передней поверхности лезвия (рис. 13 а) образуется лунка шириной , а на главной задней поверхности — ленточка шириной .

Рис.13. Критерии износа (а) и его влияние на точность обработки

Износ влияет на глубину резания, так как. уменьшается вылет резца (рис.13б) на и глубина резания . Обрабатываемая поверхность получается конусообразной. Допустимое значение износа называют критерием износа. Для токарных резцов из бысторежущей стали: мм; твердосплавных резцов — мм; минералокерамики — мм.

Под периодом стойкости инструмента понимают суммарное время (в мин.) его работы между заточками. Для различных инструментальных материалов мин. и зависит от свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на оказывает скорость резания. Связь и выражается зависимостью или , ( — постоянная). Поскольку показатель стойкости мал, резко падает даже при незначительном увеличении . То есть обработку следует вести на расчетной или ближайшей меньшей за расчетную частоте вращения шпинделя.

Износ влияет также на силы резания (а следовательно увеличиваются деформации заготовки и инструмента, величина наклепа, теплообразование и др.). Влияние размерности износа устраняется периодической подналадкой станка с помощью адаптивных систем обратной связи, заменой инструментальных магазинов и др.

Между точностью, качеством и производительностью обработки существует обратная связь. Наибольшей производительности достигают при работе с наибольшими , , и наименьшими длине обработки и припуске, но точность и качество поверхности будут низкими. Обработку следует вести на таких режимах, которые обеспечивают требуемые показатели качества при рациональной производительности. Их назначают в следующей последовательности:

1. Задают глубину резания так, чтобы за один проход снять весь припуск. Если надо сделать 2 рабочих хода — за первый снимают 80%, а за второй (чистовой) — остальную часть припуска.

2. Выбирают подачу. Она должна быть максимальной, но обеспечивающей требуемые точность, шероховатость. При этом учитывается мощность станка, свойства инструмента, жесткость и динамические характеристики системы СПИД и стоимость инструмента.

3. Определяют скорости резания по справочным данным или с помощью эмпирических формул. Например, при точении:

[м/мин].

4. Рассчитывают частоту вращения заготовки или инструмента.